FORCE AND STRAIN SENSOR

Semester Ganjil 2015-2016

STRAIN atau REGANGAN

Strain gauge merupakan sensor yang digunakan untuk mengukur tekanan (deformasi atau strain).

Strain gauge pertama kali ditemukan oleh Edward E. Simmons pada tahun 1938, dalam bentuk foil logam yang bersifat insulatif (isolasi) yang menempel pada benda yang akan diukur tekanannya.

Jika tekanan pada benda berubah, maka foilnya akan terdeformasi dan mengakibatkan tahanan listrik akan berubah.

Konfigurasi Susunan Strain Gauge

dibuat dari sehelai kertas logam resistif yang dikikis tipis (etced-foil)

berbentuk kisi (grid) sebagai elemen utama (sensor)

dilapisi dengan sepasang selaput sebagai pelindung sekaligus isolator

ditambahkan sepasang kawat timah (lead-gauge) yang terhubung pada kedua ujung elemen sensor.

Jika benda ditarik atau ditekan, gaya (F) yang diterima benda mengakibatkan adanya ketegangan antar partikel dalam material yang besarnya berbanding lurus

Perubahan tegangan partikel menyebabkan adanya pergeseran struktur material baik berupa regangan atau himpitan yang besarnya juga berbanding lurus.

Karena adanya pergeseran, maka terjadilah deformasi bentuk material.

Misalnya perubahan panjang menjadi L+∆L atau L-∆L, dimana L adalah panjang awal benda dan ∆L adalah perubahan panjang yang terjadi.

Sebuah benda yang diberi gaya tarik dan benda tersebut mengalami regangan sebesar ∆L.

Strain (regangan) adalah rasio perbandingan antara perubahan panjang terhadap panjang awal benda dan dilambangkan dengan ε (epsilon).

Dimana:ε = regangan atau strain (μm/m atau με = micro epsilon)L = panjang benda mula-mula (m)∆L = perubahan panjang benda (μm)

L

L

Umumnya, perbandingan antara ∆L dan L adalah sangat kecil dan biasanya bernilai “10 -6” atau biasa ditulis dalam satuan “µm/m” atau “µε” (micro-epsilon).

Lawan dari kata regangan adalah penyempitan / himpitan dan diindikasikan dengan lambang “–“ (minus/negatif) dalam penulisan angka bilangannya.

Jenis regangan:

1. regangan longitudinal= regangan yang arahnya segaris dengan arah gerak gaya

2. regangan lateral= regangan yang arahnya tegak lurus terhadap arah gerak gaya

L

L1

d

d2

Parameter Strain Gauge

1. Panjang gauge2. Resistansi gauge3. Kemampuan mengukur regangan (measurable strain)4. Rentang suhu (temperature range)5. Faktor gauge (K)6. Sensitifitas transfers (Kt)

7. Termal output8. Pengaruh temperatur terhadap faktor gauge (K)9. Usia fatigue (lelah)

1. Panjang gauge

Panjang gauge didefinisikan sebagai panjang grid yaitu dimensi panjang di area grid yang kedudukannya sensitif terhadap regangan.

Pemilihan panjang gauge bergantung pada objek. Gauge yang pendek digunakan untuk lokalisasi pengukuran

regangan, sedangkan gauge yang panjang lebih banyak dipilih dan digunakan untuk mengukur regangan rata-rata yang mewakili seluruh permukaan.

2. Resistansi gauge

Resistansi gauge menunjukkan nilai resistansi dalam besaran “Ω” [ohm], yang diukur pada keadaan tanpa beban dan pada temperatur suhu ruang oleh pabrikan.

3. Kemampuan mengukur regangan (Measurable Strain)• Kemampuan mengukur regangan didefinisikan sebagai

besarnya regangan yang mampu diukur.• Umumnya berkisar 2 sampai 4 % maksimum.

4. Rentang suhu (temperature range)• Rentang suhu menunjukkan batasan suhu lingkungan yang

disanggupi oleh strain gauge (dengan kata lain strain gauge masih dapat menghasilkan nilai pengukuran yang akurat).

• Umumnya berkisar antara -30ºC ~ +80ºC.• Untuk jenis high-temperature strain gauge dapat mencapai

+180ºC.

5. Faktor Gauge (Gf)• Pada saat melakukan, nilai keluaran dari strain gauge adalah

dalam besaran elektrik (resistansi).• Sedangkan besarnya yang menjadi tujuan pengukuran adalah

nilai regangan.• Dengan demikian diperlukan suatu nilai konversi yang

disebut factor gauge (Gf).

dimana:Gf = factor gauge RG = tahanan sebelum deformasi∆R = perubahan tahanan listrik yang terjadiε = tekanan

G

f R

RG

6. Sensitifitas Transfers (Kt)• Pada kenyataanya nilai resisitansi strain gauge dapat juga

berubah akibat pengaruh adanya regangan yang arahnya tegak lurus terhadap aksis gauge – regangan transfersal (εt).

• Karena keduanya memiliki relasi kesebandingan, maka ditetapkanlah suatu konstanta yang disebut dengan sensitifitas transfers (Kt).

• Nilai ini biasanya ditulis dalam persen (%).

%100

RR

K t

7. Termal Output• Termal output didefinisikan sebagai adanya pergeseran atau

penyimpangan nilai regangan akibat perbedaan temperatur suhu.• Umumnya bernilai pada kisaran ±2µε/ºC.• Pada jenis strain gauge temperature tinggi diatas suhu 160 ºC,

nilainya mencapai ±5 µε/ºC.

Hubungan Thermal Output Terhadap Suhu

8. Pengaruh temperatur terhadap faktor gauge (K)• Selain regangan, suhu temperatur juga mempengaruhi nilai

faktor gauge.

Hubungan Perubahan Faktor GaugeTerhadap Temperatur

9. Usia Fatigue (Lelah)• Jika regangan terjadi beberapa kali pada suatu strain gauge,

maka akan ada kemungkinan kenaikan nilai resistansi gauge pada kondisi tanpa beban, atau terjadinya pengelupasan pada strain gauge, atau bahkan patah dan lain sebagainya yang mengindikasikan kerusakan.

• Jumlah siklus maksimum yang dapat dilakukan pada strain gauge sebelum hal-hal diatas terjadi disebut usia fatigue (lelah).

• Sebuah strain gauge dapat memiliki usia fatigue diatas 100 ribu kali pada regangan 1000 µε.

PENGUKURAN STRAIN GAUGE

Jembatan Penuh (Full Bridge)

Jembatan Setengah (Half Bridge)

2

f

EX

oG

V

V

Strain gauge pertama (#1) akan mengalami tension sebesar RG + ΔR

strain gauge kedua (#2) akan mengalami compression sebesar RG – ΔR

Jembatan Kuartal (Quarter Bridge)

Jika besar resistansi semula dari strain gauge adalah RG dan perubahan resistansi dari strain gauge adalah ΔR maka:

Asumsi R1 = R2 dan R3 = RG, maka:

.fGRR

21

1

4

f

f

EX

o

G

G

V

V